Actualmente, existen muchos grupos de investigación activos en el campo de la energía fotovoltaica en universidades e instituciones de investigación de todo el mundo. Esta investigación se puede clasificar en tres áreas: hacer que las células solares de tecnología actual sean más baratas y/o más eficientes para competir de manera efectiva con otras fuentes de energía; desarrollar nuevas tecnologías basadas en nuevos diseños arquitectónicos de células solares; y desarrollar nuevos materiales que sirvan como convertidores de energía más eficientes de energía luminosa en corriente eléctrica o absorbedores de luz y portadores de carga.
Una forma de reducir el coste es desarrollar métodos más baratos para obtener silicio que sea lo suficientemente puro. El silicio es un elemento muy común, pero normalmente se encuentra ligado a sílice o arena de sílice . El procesamiento de sílice (SiO2 ) para producir silicio es un proceso que consume mucha energía: con las eficiencias actuales, una célula solar convencional tarda entre uno y dos años en generar tanta energía como la que se utilizó para fabricar el silicio que contiene. Los métodos de síntesis más eficientes energéticamente no sólo son beneficiosos para la industria solar, sino también para las industrias relacionadas con la tecnología del silicio en su conjunto.
La producción industrial actual de silicio se realiza mediante la reacción entre el carbón (carbón vegetal) y el sílice a una temperatura de alrededor de 1700 °C. En este proceso, conocido como reducción carbotérmica, cada tonelada de silicio (de calidad metalúrgica, con una pureza del 98% aproximadamente) se produce con la emisión de aproximadamente 1,5 toneladas de dióxido de carbono.
La sílice sólida se puede convertir directamente (reducir) en silicio puro mediante electrólisis en un baño de sal fundida a una temperatura bastante suave (800 a 900 °C). [1] [2] Si bien este nuevo proceso es en principio el mismo que el Proceso FFC de Cambridge que se descubrió por primera vez a fines de 1996, el hallazgo de laboratorio interesante es que dicho silicio electrolítico se encuentra en forma de silicio poroso que se convierte fácilmente en un polvo fino, con un tamaño de partícula de unos pocos micrómetros, y por lo tanto puede ofrecer nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías de células solares.
Otro enfoque que también reduce la cantidad de silicio utilizado y, por lo tanto, el costo, es mediante el micromaquinado de obleas en capas muy delgadas, prácticamente transparentes, que podrían usarse como recubrimientos arquitectónicos transparentes. [3] La técnica implica tomar una oblea de silicio, típicamente de 1 a 2 mm de espesor, y hacer una multitud de rebanadas transversales paralelas a lo largo de la oblea, creando una gran cantidad de rebanadas que tienen un espesor de 50 micrómetros y un ancho igual al espesor de la oblea original. Estas rebanadas se giran 90 grados, de modo que las superficies correspondientes a las caras de la oblea original se convierten en los bordes de las rebanadas. El resultado es convertir, por ejemplo, una oblea de 150 mm de diámetro y 2 mm de espesor que tiene un área de superficie de silicio expuesta de aproximadamente 175 cm2 por lado en aproximadamente 1000 rebanadas que tienen dimensiones de 100 mm × 2 mm × 0,1 mm, produciendo un área de superficie de silicio expuesta total de aproximadamente 2000 cm2 por lado. Como resultado de esta rotación, el dopaje eléctrico y los contactos que estaban en la cara de la oblea se ubican en los bordes de la lámina, en lugar de en la parte delantera y trasera como en el caso de las celdas de obleas convencionales. Esto tiene el interesante efecto de hacer que la celda sea sensible tanto desde la parte delantera como desde la trasera de la celda (una propiedad conocida como bifacialidad). [3] Usando esta técnica, una oblea de silicio es suficiente para construir un panel de 140 vatios, en comparación con las aproximadamente 60 obleas necesarias para módulos convencionales de la misma potencia de salida.
Estas estructuras utilizan algunos de los mismos materiales absorbentes de luz de película delgada, pero están recubiertos como un absorbente extremadamente delgado sobre una matriz de soporte de polímero conductor u óxido de metal mesoporoso que tiene un área de superficie muy alta para aumentar las reflexiones internas (y, por lo tanto, aumentar la probabilidad de absorción de luz). El uso de nanocristales permite diseñar arquitecturas en la escala de longitud de nanómetros, la longitud de difusión típica de los excitones. En particular, los dispositivos de un solo nanocristal ('canal'), una matriz de uniones pn individuales entre los electrodos y separadas por un período de aproximadamente una longitud de difusión, representan una nueva arquitectura para las células solares y una eficiencia potencialmente alta.
Las células fotovoltaicas de película delgada pueden utilizar menos del 1% de la costosa materia prima (silicio u otros absorbentes de luz) en comparación con las células solares basadas en obleas, lo que lleva a una reducción significativa del precio por vatio de capacidad máxima. Hay muchos grupos de investigación en todo el mundo que investigan activamente diferentes enfoques y/o materiales de película delgada. [4]
Una tecnología especialmente prometedora es la de las películas delgadas de silicio cristalino sobre sustratos de vidrio. Esta tecnología combina las ventajas del silicio cristalino como material para células solares (abundancia, no toxicidad, alta eficiencia, estabilidad a largo plazo) con el ahorro de costos que supone utilizar un método de película delgada. [5] [6]
Otro aspecto interesante de las células solares de película delgada es la posibilidad de depositar las células sobre todo tipo de materiales, incluidos sustratos flexibles ( PET por ejemplo), lo que abre una nueva dimensión para nuevas aplicaciones. [7]
En diciembre de 2014, se alcanzó el récord mundial de eficiencia de células solares del 46 % mediante el uso de células solares concentradoras de múltiples uniones , desarrolladas a partir de los esfuerzos de colaboración de Soitec , CEA-Leti , Francia, junto con Fraunhofer ISE , Alemania. [8]
El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) ganó uno de los premios R&D 100 de la revista R&D por su célula fotovoltaica multijunción metamórfica , una célula ultraligera y flexible que convierte la energía solar con una eficiencia récord. [9]
La célula solar ultraliviana y altamente eficiente fue desarrollada en NREL y está siendo comercializada por Emcore Corp. [10] de Albuquerque, NM , en asociación con la Dirección de Vehículos Espaciales de los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea Kirtland en Albuquerque.
Representa una nueva clase de células solares con claras ventajas en rendimiento, diseño de ingeniería, operación y costo. Durante décadas, las células convencionales han contado con obleas de materiales semiconductores con una estructura cristalina similar . Su rendimiento y rentabilidad están limitados por el crecimiento de las células en una configuración vertical. Mientras tanto, las células son rígidas, pesadas y gruesas con una capa inferior hecha de germanio .
En el nuevo método, la célula se cultiva al revés. Estas capas utilizan materiales de alta energía con cristales de altísima calidad, especialmente en las capas superiores de la célula, donde se produce la mayor parte de la energía. No todas las capas siguen el patrón reticular de espaciado atómico uniforme. En cambio, la célula incluye un rango completo de espaciado atómico, lo que permite una mayor absorción y uso de la luz solar. Se elimina la capa gruesa y rígida de germanio, lo que reduce el coste de la célula y el 94% de su peso. Al darle la vuelta al enfoque convencional de las células, el resultado es una célula ultraligera y flexible que también convierte la energía solar con una eficiencia récord (40,8% con una concentración de 326 soles).
La invención de polímeros conductores (por los que Alan Heeger , Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa recibieron un premio Nobel ) puede conducir al desarrollo de células mucho más baratas basadas en plásticos económicos. Sin embargo, las células solares orgánicas generalmente sufren degradación al exponerse a la luz ultravioleta y, por lo tanto, tienen una vida útil demasiado corta para ser viables. Los enlaces de los polímeros siempre son susceptibles de romperse cuando se irradian con longitudes de onda más cortas. Además, los sistemas de doble enlace conjugado en los polímeros que llevan la carga reaccionan más fácilmente con la luz y el oxígeno . Por lo tanto, la mayoría de los polímeros conductores, al ser altamente insaturados y reactivos, son muy sensibles a la humedad atmosférica y la oxidación, lo que dificulta las aplicaciones comerciales.
Los paneles solares experimentales sin silicio pueden estar hechos de heteroestructuras cuánticas , por ejemplo, nanotubos de carbono o puntos cuánticos , incrustados en polímeros conductores u óxidos metálicos mesoporosos. Además, las películas delgadas de muchos de estos materiales sobre células solares de silicio convencionales pueden aumentar la eficiencia de acoplamiento óptico en la célula de silicio, impulsando así la eficiencia general. Al variar el tamaño de los puntos cuánticos, las células pueden ajustarse para absorber diferentes longitudes de onda. Aunque la investigación todavía está en sus inicios, la energía fotovoltaica modificada con puntos cuánticos puede lograr hasta un 42% de eficiencia de conversión de energía debido a la generación de excitones múltiples (MEG). [11]
Investigadores del MIT han descubierto una forma de utilizar un virus para mejorar la eficiencia de las células solares en un tercio.
Muchas de las nuevas células solares utilizan películas delgadas transparentes que también son conductoras de carga eléctrica. Las películas delgadas conductoras dominantes que se utilizan en la investigación en la actualidad son óxidos conductores transparentes (abreviados como "TCO"), e incluyen óxido de estaño dopado con flúor (SnO 2 :F, o "FTO"), óxido de cinc dopado (por ejemplo: ZnO:Al) y óxido de indio y estaño (abreviado como "ITO"). Estas películas conductoras también se utilizan en la industria de LCD para pantallas planas. La doble función de un TCO permite que la luz pase a través de una ventana de sustrato hasta el material absorbente de luz activo que se encuentra debajo, y también sirve como un contacto óhmico para transportar los portadores de carga fotogenerados lejos de ese material absorbente de luz. Los materiales TCO actuales son eficaces para la investigación, pero quizás aún no estén optimizados para la producción fotovoltaica a gran escala. Requieren condiciones de deposición muy especiales a alto vacío, a veces pueden sufrir de poca resistencia mecánica y la mayoría tienen poca transmitancia en la porción infrarroja del espectro (por ejemplo: las películas delgadas de ITO también se pueden utilizar como filtros infrarrojos en las ventanas de los aviones). Estos factores hacen que la fabricación a gran escala sea más costosa.
Ha surgido un campo relativamente nuevo que utiliza redes de nanotubos de carbono como conductores transparentes para células solares orgánicas . Las redes de nanotubos son flexibles y se pueden depositar sobre superficies de diversas maneras. Con algún tratamiento, las películas de nanotubos pueden ser muy transparentes en el infrarrojo, lo que posiblemente permita células solares eficientes de banda prohibida baja. Las redes de nanotubos son conductores de tipo p, mientras que los conductores transparentes tradicionales son exclusivamente de tipo n . La disponibilidad de un conductor transparente de tipo p podría conducir a nuevos diseños de células que simplifiquen la fabricación y mejoren la eficiencia.
A pesar de los numerosos intentos de fabricar mejores células solares utilizando materiales nuevos y exóticos, la realidad es que el mercado fotovoltaico sigue estando dominado por células solares basadas en obleas de silicio (células solares de primera generación). Esto significa que la mayoría de los fabricantes de células solares están actualmente equipados para producir este tipo de células solares. En consecuencia, se está realizando una gran cantidad de investigaciones en todo el mundo para fabricar células solares basadas en obleas de silicio a un menor costo y para aumentar las eficiencias de conversión sin un aumento exorbitante en el costo de producción. El objetivo final de los conceptos fotovoltaicos basados en obleas y alternativos es producir electricidad solar a un costo comparable al del carbón, el gas natural y la energía nuclear, que dominan actualmente el mercado, para convertirla en la principal fuente de energía primaria. Para lograrlo, puede ser necesario reducir el costo de los sistemas solares instalados de aproximadamente 1,80 dólares estadounidenses (para tecnologías de silicio a granel) a aproximadamente 0,50 dólares estadounidenses por vatio de potencia pico. [12] Dado que una parte importante del costo final de un módulo de silicio a granel tradicional está relacionado con el alto costo de la materia prima de polisilicio de grado solar (alrededor de US$ 0,4/vatio pico), existe un impulso sustancial para hacer que las células solares de Si sean más delgadas (ahorro de material) o para hacer células solares a partir de silicio metalúrgico mejorado más barato (el llamado "Si sucio").
IBM cuenta con un proceso de recuperación de obleas de semiconductores que utiliza una técnica especializada de eliminación de patrones para reutilizar obleas de semiconductores desechadas y convertirlas en una forma que se pueda utilizar para fabricar paneles solares basados en silicio. El nuevo proceso recibió recientemente el premio “Premio a la prevención de la contaminación más valiosa de 2007” de la Mesa Redonda Nacional para la Prevención de la Contaminación (NPPR, por sus siglas en inglés). [13]
Los investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho , junto con sus socios de Lightwave Power Inc. [14] en Cambridge, MA y Patrick Pinhero de la Universidad de Missouri , han ideado una forma económica de producir láminas de plástico que contienen miles de millones de nanoantenas que recogen la energía térmica generada por el sol y otras fuentes, que obtuvieron dos premios Nano50 en 2007. La empresa cesó sus operaciones en 2010. Aunque todavía es necesario desarrollar métodos para convertir la energía en electricidad utilizable, las láminas podrían algún día fabricarse como "pieles" ligeras que alimenten todo, desde coches híbridos hasta ordenadores y teléfonos móviles, con una mayor eficiencia que las células solares tradicionales. Las nanoantenas apuntan a los rayos infrarrojos medios, que la Tierra irradia continuamente como calor después de absorber energía del sol durante el día; también las láminas de nanoantenas de doble cara pueden recolectar energía de diferentes partes del espectro del Sol. Por el contrario, las células solares tradicionales solo pueden utilizar la luz visible, lo que las deja inactivas después del anochecer.
Desde 2012, el grupo de Roberto Germano está trabajando en el efecto Oxhydroelectric , que genera voltaje y corriente eléctrica en agua líquida pura, después de crear una asimetría física (no química) en el agua líquida, por ejemplo, gracias a un polímero fuertemente hidrófilo , como Nafion . [15] [16] Este grupo de investigación tiene su sede en Nápoles , Italia , la investigación comenzó como un proyecto paralelo en la "empresa de transferencia de tecnología" de Germano, Promete srl [17] y desde 2023 se lleva a cabo en Oxhy srl [18] , una startup creada con el propósito de desarrollar aún más esta línea de investigación.
El Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón (AIST) ha logrado desarrollar una célula solar transparente que utiliza luz ultravioleta (UV) para generar electricidad, pero permite el paso de la luz visible. La mayoría de las células solares convencionales utilizan luz visible e infrarroja para generar electricidad. Si se utiliza para reemplazar el vidrio convencional de las ventanas, la superficie de instalación podría ser grande, lo que daría lugar a posibles usos que aprovechen las funciones combinadas de generación de energía, iluminación y control de temperatura.
Este sistema transparente que absorbe los rayos UV se logró utilizando una heteroestructura orgánica - inorgánica hecha de una película de polímero semiconductor de tipo p PEDOT:PSS depositada sobre un sustrato de titanato de estroncio dopado con Nb . El PEDOT:PSS se fabrica fácilmente en películas delgadas debido a su estabilidad en el aire y su solubilidad en agua. Estas células solares solo se activan en la región UV y dan como resultado un rendimiento cuántico relativamente alto del 16 % de electrones / fotones . El trabajo futuro en esta tecnología implica reemplazar el sustrato de titanato de estroncio con una película de titanato de estroncio depositada sobre un sustrato de vidrio para lograr una fabricación de área grande y de bajo costo. [19]
Desde entonces, se han descubierto otros métodos para incluir las longitudes de onda de los rayos ultravioleta en la generación de energía de las células solares. Algunas empresas informan que utilizan nanofósforos como revestimiento transparente para convertir la luz ultravioleta en luz visible. [20] Otras han informado que han ampliado el rango de absorción de las células fotovoltaicas de unión simple dopando un semiconductor transparente de banda ancha , como el GaN, con un metal de transición como el manganeso . [21]
La investigación sobre células solares flexibles es una tecnología de nivel de investigación, un ejemplo de la cual fue creado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en el que las células solares se fabrican depositando material fotovoltaico sobre sustratos flexibles, como papel ordinario, utilizando tecnología de deposición química de vapor . [22] La tecnología para fabricar células solares en papel fue desarrollada por un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y el Programa Fronteras Solares de la Alianza Eni-MIT.
Se están desarrollando células solares tridimensionales que capturan casi toda la luz que incide sobre ellas y que podrían aumentar la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos al tiempo que reducen su tamaño, peso y complejidad mecánica. Las nuevas células solares 3D, creadas en el Instituto de Investigación de Georgia Tech , capturan fotones de la luz solar utilizando una serie de estructuras en forma de “torre” en miniatura que se asemejan a edificios de gran altura en una cuadrícula de calles de una ciudad. [23] [24] [25] Solar3D, Inc. planea comercializar estas células 3D, pero su tecnología está actualmente pendiente de patente. [26]
Los concentradores solares luminiscentes convierten la luz solar u otras fuentes de luz en frecuencias preferidas; concentran la salida para convertirla en formas deseables de energía, como la electricidad. Se basan en la luminiscencia , típicamente fluorescencia , en medios como líquidos, vidrios o plásticos tratados con un recubrimiento o dopante adecuado . Las estructuras están configuradas para dirigir la salida desde un área de entrada grande a un convertidor pequeño, donde la energía concentrada genera fotoelectricidad . [27] [28] [29] El objetivo es recolectar luz en un área grande a bajo costo; los paneles concentradores luminiscentes se pueden fabricar de manera económica a partir de materiales como vidrios o plásticos, mientras que las células fotovoltaicas son dispositivos de alta precisión y alta tecnología y, en consecuencia, costosos de construir en tamaños grandes.
En universidades como la Universidad Radboud de Nimega y la Universidad Tecnológica de Delft se están llevando a cabo investigaciones al respecto . Por ejemplo, en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) los investigadores han desarrollado métodos para convertir ventanas en concentradores de luz solar para la generación de electricidad. Pintan una mezcla de tintes sobre un panel de vidrio o plástico. Los tintes absorben la luz solar y la reemiten como fluorescencia dentro del vidrio, donde queda confinada por reflexión interna , emergiendo en los bordes del vidrio, donde encuentra células solares optimizadas para la conversión de dicha luz solar concentrada. El factor de concentración es de aproximadamente 40, y el diseño óptico produce un concentrador solar que, a diferencia de los concentradores basados en lentes, no necesita ser dirigido con precisión al sol y puede producir salida incluso a partir de luz difusa. Covalent Solar está trabajando en la comercialización del proceso. [30]
Los metamateriales son materiales heterogéneos que emplean la yuxtaposición de muchos elementos microscópicos, lo que da lugar a propiedades que no se observan en los sólidos ordinarios. Con su uso, puede resultar posible fabricar células solares que sean excelentes absorbentes en un rango estrecho de longitudes de onda. Se ha demostrado una alta absorción en el régimen de microondas, [31] [32] pero todavía no en el régimen de longitud de onda de 300-1100 nm.
Algunos sistemas combinan la energía fotovoltaica con la solar térmica, con la ventaja de que la parte solar térmica aleja el calor y enfría las células fotovoltaicas. Al mantener baja la temperatura, se reduce la resistencia y se mejora la eficiencia de las células. [33]
Se afirma que la energía fotovoltaica basada en pentaceno mejora la relación eficiencia energética hasta un 95%, duplicando efectivamente la eficiencia de las técnicas más eficientes actuales. [34]
La fotovoltaica de banda intermedia en la investigación de células solares proporciona métodos para superar el límite de Shockley-Queisser en la eficiencia de una célula. Introduce un nivel de energía de banda intermedia (IB) entre las bandas de valencia y conducción. Teóricamente, la introducción de un IB permite que dos fotones con energía menor que la banda prohibida exciten un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción . Esto aumenta la fotocorriente inducida y, por lo tanto, la eficiencia. [35]
Luque y Marti primero derivaron un límite teórico para un dispositivo IB con un nivel de energía de midgap usando un balance detallado . Supusieron que no se recolectaron portadores en el IB y que el dispositivo estaba bajo concentración total. Encontraron que la eficiencia máxima era 63,2%, para un intervalo de banda de 1,95 eV con el IB 0,71 eV de la banda de valencia o de conducción. Bajo una iluminación solar la eficiencia límite es 47%. [36]
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